Volgens wetenschappers is afvalwarmte, die in het milieu terechtkomt en ongebruikt blijft, verantwoordelijk voor meer dan 70% van het mondiale energieverbruikverlies. Met behulp van thermo-elektrische materialen – speciale halfgeleiders – kan de afgegeven warmte worden omgezet in elektriciteit. Thermo-elektrische materialen kunnen ook worden gebruikt om koelapparaten te ontwerpen, die het energieverbruik in huishoudelijke en industriële toepassingen verminderen.

Het zoeken naar deze materialen is een van de kerntaken van de moderne materiaalkunde. Een team van wetenschappers van Skoltech, het Emanuel Institute of Biochemical Physics RAS, evenals andere vooraanstaande wetenschappelijke organisaties in Rusland en Israël hebben onderzocht hoe het toevoegen van onzuiverheden aan loodtelluride (PbTe), een thermo-elektrisch materiaal, de mechanische eigenschappen ervan kan beïnvloeden en de levensduur kan verlengen. levensduur van een thermo-elektrische generator. Het artikel is gepubliceerd in Technische Natuurkundebrieven .

“Loodtelluride wordt gebruikt op gaspijpleidingen in de Yamal-regio om de werking van sensoren te garanderen. Het is onmogelijk om daar elektriciteitsleidingen aan te leggen en dieselmotoren vereisen constante monitoring. In plaats daarvan worden kleine buisjes met brandend gas gebruikt om warmte te leveren. thermo-elektrisch materiaal wordt de warmte van het brandende gas omgezet in elektriciteit, wat voldoende is om de sensoren te laten werken”, zegt Ilya Chepkasov, de belangrijkste auteur van het onderzoek en senior onderzoeker bij het Energy Transition Center van Skoltech.

Het materiaal heeft ook enkele nadelen:het kan verslechteren als het in contact komt met materialen die een andere thermische uitzettingscoëfficiënt hebben. Gemakkelijke achteruitgang kan afhankelijk zijn van doping, wat het proces is waarbij onzuiverheden worden toegevoegd aan de kristalstructuur van een halfgeleider om de elektrische en thermo-elektrische eigenschappen ervan te veranderen en de geleidbaarheid gecontroleerd en voorspelbaar te maken.

Er zijn twee soorten halfgeleiderdoping. N-type dotering resulteert in een halfgeleider waarbij elektronen de belangrijkste ladingsdragers zijn. P-type doping levert een halfgeleider op, waarbij de hoofdrol bij de ladingsoverdracht wordt toegeschreven aan de zogenaamde "gaten" - plaatsen die in een elektronische binding verschijnen nadat het elektron is verdwenen. Ze hebben een positieve lading en gedragen zich als positieve deeltjes.

Wetenschappers hebben aangetoond dat de chemische binding in het n-type PbTe verzwakt naarmate de losser wordende orbitalen vol raken. Als resultaat wordt het materiaal taaier en bij thermische uitzetting is het risico op degradatie kleiner dan bij het p-type.

“Afhankelijk van het type dotering kunnen de mechanische eigenschappen van het materiaal op verschillende manieren variëren. In het n-type PbTe heeft de concentratie doteermiddelen een lichte invloed op de mechanische eigenschappen. In het p-type PbTe is er een significante toename van de hardheid ervan. We bestudeerden de reden voor dit gedrag en ontdekten dat doping van het n-type resulteert in een extra elektron op de losmakende orbitaal. Hierdoor wordt het materiaal taaier. Omgekeerd resulteert dotering van het p-type in een stijvere binding een kwetsbaarder materiaal", aldus Chepkasov.

De nieuwe resultaten zullen helpen bij het selecteren van een doteermiddel dat de mechanische eigenschappen van loodtelluride zal verbeteren en de duurzaamheid van een thermo-elektrische generator zal vergroten. Het onderzoek maakte deel uit van de subsidie ​​nr. 19-72-30043 van de Russische Academie van Wetenschappen, getiteld "Laboratorium voor computerontwerp van nieuwe materialen." Het project heeft tot doel nieuwe computermethoden te ontwikkelen die de mogelijkheden van computervoorspelling van materialen aanzienlijk zullen verbeteren, waarbij rekening wordt gehouden met complexe factoren als temperatuur en correlatie-effecten.

Meer informatie: Ilya V. Chepkasov et al, Oorsprong van bros gedrag van gedoteerde op PbTe gebaseerde thermo-elektrische materialen, Applied Physics Letters (2024). DOI:10.1063/5.0185002

Journaalinformatie: Brieven over toegepaste natuurkunde

Aangeboden door Skolkovo Instituut voor Wetenschap en Technologie